JPH041397Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案はロボツト等の関節機構に関し、歯車減
速機の歯車の噛み合い〓間によるバツクラツシユ
発生を効果的に防止し、アームの駆動精度を向上
させるとともに、小形でかつ簡素な関節機構を実
現するものである。

〔従来技術と考案が解決しようとする課題〕

ロボツトの関節機構においては、比較的回転角
速度は小さいが大きいトルクを必要とするため、
従来から多段の歯車による減速機が用いられてい
る。

しかし歯車減速機を用いた場合、バツクラツシ
ユの発生が避けられず、アームの駆動精度低下の
原因となつている。また、多関節型ロボツトの場
合には、先端の関節部の駆動にチエーン、リンク
等の伝動機構が多用されているが、機構が複雑
で、効率も悪い等の難点がある。

これに対し、特開昭51−94062号公報や特開昭
50−89756号公報等に記載されている調和型の減
速機は、内歯歯車の歯数と、これに噛み合う外歯
歯車の歯数の差を利用して、比較的大きな減速比
が得られるので、関節機構に適している。

しかしながら、調和型減速機は、第１図に示す
ような回転角−トルク特性を有している。ａ−ｂ
部は歯車の噛み合い〓間に起因するバツクラツシ
ユで、最小の場合でも３分程度は生じる。これを
全長1mのアームに想定すると、先端で0.9mmにも
相当する。ｂ−ｃ部、ａ−ｅ部は、調和駆動型減
速機固有のもので、歯の噛み合いが不均一なこと
等に起因する剛性の低い部分におけるバツクラツ
シユであり、駆動側歯車が０→ｃまで、または０
→ｅまで回転して始めて、ｃ−ｄ部、ｅ−ｆ部の
均一な剛性が得られる。

本考案の技術的課題は、調和駆動型減速機を利
用した大減速比の関節機構におけるこのような問
題を解決して、歯車の噛み合い〓間に起因するバ
ツクラツシユはもちろん、調和駆動型減速機固有
の剛性の低い部分におけるバツクラツシユをも除
去することで、減速比の大きな調和駆動型減速機
を関節機構に実用化可能とし、かつ関節機構を小
形化することにある。

〔課題を解決するための手段〕

第４図に示すように、第一のアーム２１と第二
のアーム２２との間の関節動作部において、駆動
軸４′の両端が第一のアーム２１に回転可能に支
持されている。

そして、前記の両側の支持部の間において、モ
ータＭのインナー側を該駆動軸４′に固定され、
アウター側が第二のアーム２２に固定されてい
る。しかも、内歯歯車と可撓性外歯歯車との歯数
の差を利用した調和駆動型減速機Ａ，Ｂの２組
を、それぞれ前記モータＭを挟んだ両側のほぼ対
称位置に配置して、調和駆動型減速機Ａ，Ｂの可
撓性外歯歯車１０ａ，１０ｂを駆動軸４′に取り
付けた構成になつている。

調和駆動型減速機Ａ，Ｂは、それぞれ１つの可
撓性外歯歯車１０ａ，１０ｂに対して、固定内歯
歯車１１ａ，１１ｂと出力内歯歯車１２ａ，１２
ｂの２つの内歯歯車が噛み合つている。そして、
両調和駆動型減速機Ａ，Ｂの固定内歯歯車１１
ａ，１１ｂはそれぞれ第一のアーム２１に取り付
けられ、出力内歯歯車１２ａ，１２ｂはそれぞれ
第二のアーム２２に取り付けられている。

このとき、片方の調和駆動型減速機Ａの可撓性
外歯歯車１０ａと他方の調和駆動型減速機Ｂの可
撓性外歯歯車１０ｂとでは、内歯歯車との接触面
の方向が逆になるように、調和駆動型減速機Ａの
出力内歯歯車１２ａ〔または固定内歯歯車１１ａ〕
と調和駆動型減速機Ｂの出力内歯歯車１２ｂ〔ま
たは固定内歯歯車１１ｂ〕を回転方向にずらして
偏角を与えた状態で固定されている。

〔実施例〕

次に本考案による関節機構の実施例を図に基づ
いて説明する。第３図は多関節アーム型ロボツト
の側面図で、第４図は第３図の−′拡大断面
図である。図において、１は基台、２１〜２５は
アームである。アーム２１〜２５は、関節３，
３′で屈曲または回転可能に連結されている。

第４図は、第１番目の屈曲関節３の拡大断面図
であり、回転軸４の両端が、第１アーム２１に対
し回転可能に支持されており、この支持部の間に
おいて、回転軸４の中間部にモータＭのロータ５
が固定され、このロータ５を挟んで一対の調和駆
動型減速機Ａ，Ｂが配設されている。

ロータ５の外側のステータ６は、第２アーム２
２に固定されていて、駆動源であるモータＭを構
成し、回転軸４は駆動軸４′となつている。そし
て駆動軸４′に、調和駆動型減速機Ａ，Ｂの入力
軸８ａ，８ｂが固定されている。

第５図は、調和駆動型減速機Ａの左側面図であ
り、内側から順に、楕円形の入力軸８ａ，ベアリ
ング９ａ…、可撓性材料から成る外歯歯車１０
ａ、外歯歯車１０ａの円周上の２点でそれぞれ噛
み合つており、かつ外歯歯車１０ａより歯数の少
ない固定内歯歯車１１ａ，および固定内歯歯車１
１ａの裏側に配設された出力内歯歯車１２ａとか
らなつている。もう一方の調和駆動型減速機Ｂ
も、同様に入力軸８ｂ、ベアリング９ｂ、外歯歯
車１０ｂ、固定内歯歯車１１ｂ、および出力内歯
歯車１２ｂで構成されている。

各調和駆動型減速機Ａ，Ｂの固定内歯歯車１１
ａ，１１ｂは、一次側部材となる第１アーム２１
に固定されており、出力内歯歯車１２ａ，１２ｂ
は、二次側部材となる第２アーム２２に固定され
ている。固定内歯歯車１１ａ，１１ｂと出力内歯
歯車１２ａ，１２ｂの少なくとも一方の内歯歯
車、例えば出力内歯歯車１２ａと１２ｂは、第６
図のように互いに異なる回転方向へずらすことに
より偏各αを与えた状態で、第２アーム２２に固
定されている。

次に、この構成における関節機構の動作を説明
する。第５図において、駆動軸４′がロータ５で
駆動されて反時計方向に回転すると、楕円形の入
力軸８ａ，８ｂが同じ方向に回転する。入力軸８
ａ，８ｂが反時計方向に回転すると、外歯歯車１
０ａ，１０ｂは、可撓性材料から成るため、入力
軸８ａ，８ｂの回転に従つて変形し、固定内歯歯
車１１ａ，１１ｂと噛み合いながら、入力軸８
ａ，８ｂが１回転する毎に歯数の差だけ時計方向
に回転し、出力内歯歯車１２ａ，１２ｂを歯数の
差だけ時計方向へ回転させ、第２アーム２２を屈
曲させる。

次に停止後、駆動軸４′が反対方向へ回転する
と、可撓性外歯歯車１０ａ，１０ｂが逆回転して
第２アーム２２を伸長させる。このとき、出力内
歯歯車１２ａ，１２ｂ間に偏角αが与えられてい
るため、第７図のように外歯歯車１０ａと外歯歯
車１０ｂとは、出力内歯歯車１２ａ，１２ｂとの
歯の接触面が逆になつている。すなわち、イ図の
ように外歯歯車１０ａの歯面１３ａと出力内歯歯
車１２ａの歯面１４ａは、反時計方向にその歯面
同士を接触させ、同図ロのように外歯歯車１０ｂ
の歯面１３ｂと出力内歯歯車１２ｂの歯面１４ｂ
は、時計方向にその歯面同士を接触させている。
このため駆動軸４′が回転すると、可撓性外歯歯
車の反時計方向回転には左の調和駆動型減速機Ａ
でバツクラツシユが防止され、外歯歯車の時計方
向回転には右の調和駆動型減速機Ｂでバツクラツ
シユが防止されることになり、結局駆動軸４′が
どの方向に回転しても常にバツクラツシユは発生
しない。

従来のバツクラツシユ除去機構は、実公昭48−
30782号公報や実開昭55−120849号公報などに記
載されているように、特別にスプリングを設けて
二つの歯車をずらすとともに、共通の相手歯車に
接触圧を与えるようにしているため、駆動系の剛
性はスプリングの剛性に依存し、高い剛性が必要
なロボツトの関節機構には適しない。これに対し
本考案は、二つの独立した可撓性の外歯歯車１０
ａ，１０ｂに対し、例えば出力内歯歯車１２ａ，
１２ｂを逆方向にずらして噛合い接触させた状態
で、固定されている。そのため、可撓性外歯歯車
１０ａ，１０ｂの剛性がスプリングよりはるかに
大きく、また二組の調和駆動型減速機Ａ，Ｂの軸
とモータ軸が一体化され、小形な構造となつてい
る。

調和駆動型減速機は、第５図のように入力軸８
ａと可撓性外歯歯車１０ａとの間にベアリング９
ａが介在していることや、薄肉でしかも可撓性の
ある外歯歯車１０ａ，１０ｂを使用しているこ
と、歯の噛み合いが不均一なことなどにより、第
１図に示すように、剛性の低い部分０−ａ，０−
ｂが避けられず、調和駆動型減速機固有の問題と
されている。

ところが、前記のように、調和駆動型減速機Ａ
とＢとの間で偏角αが与えられ、第７図のように
二つの可撓性外歯歯車１０ａ，１０ｂの接触面方
向が逆向きで、可撓性外歯歯車１０ａ，１０ｂの
可撓性による弾力で常に噛合い接触圧が維持され
るため、調和駆動型減速機固有の剛性の低い部分
も除去され、第２図のように剛性が高くかつ均一
な特性が得られる。しかも、第１アームと第２ア
ームの力の伝達系を、第一アーム→固定内歯歯車
１１ａ→可撓性外歯歯車１０ａ→出力内歯歯車１
２ａ→第二アーム→出力内歯歯車１２ｂ→可撓性
外歯歯車１０ｂ→固定内歯歯車１１ｂ→第一アー
ム、のルートのクローズドループとすることで、
調和駆動型減速機固有のバツクラツシユおよび低
剛性部の除去を、スプリングなどを付加すること
なく、簡単な構成で確実に実現できる。

また、第７図に示すように、出力内歯歯車１２
ａ，１２ｂを逆向きにずらして、独立した二つの
可撓性外歯歯車１０ａ，１０ｂの接触面を逆にす
ることで、出力側から見た関節機構自体の総合剛
性が２倍に向上する。すなわち、第７イの接触方
向におけるトルクは接触圧＋回転力となるのに対
し、第７図ロの接触方向におけるトルクは接触圧
−回転力となる。これを回転角−トルク特性図で
示すと、第８図ａ，ｂのような曲線となる。した
がつて、出力側から見た場合は、第８図ｃに示す
ように、第８図ａ，ｂ曲線の差の特性となり、剛
性が約２倍となる。このため、関節機構の固有振
動数が高くなり、高速な位置決めが可能となる。

さらに、駆動モータＭの両側に対称に調和駆動
型減速機Ａ，Ｂを配置したことにより、モータＭ
から見た特性が、正転・逆転において均一とな
り、制御性が向上する。すなわち、バツクラツシ
ユを除去する手法として、複数の歯車に偏差を持
たせて配置することは周知の事項である。しかし
ながら、複数の歯車を偏差をもたせて回転軸に取
付けた場合に、滑らかな回転（動力伝達）を行な
わせようとすると、回転軸をねじれ易くする必要
があるが、動力伝達の点から考えると、応答周波
数が低くなつてしまう。したがつて、英国特許第
1270266号明細書の記載を応用して、モータの一
方側に２つの調和駆動型減速機を配置すると、モ
ータから遠い方の歯車の動力伝達が遅れるため、
正常動作する限界速度が低くなつてしまうが、本
考案の構成においては、左右両方向の加減速に対
する応答レスポンスが対称であり、両者の限界速
度を揃えることができ、ロボツトの関節部に用い
る場合に、制御が極めて容易になるという効果が
ある。また、調和駆動型減速機Ａ，Ｂを駆動する
モータＭを、両者のほぼ中間位置に配置している
ので、関節機構の正常動作の限界速度を高くする
ことができる。

なお実施例では屈曲関節３で説明したが、回転
関節３′にも本考案を実施できることは言うまで
もない。

〔考案の効果〕

以上のように本考案によれば、逆向きにずらさ
れた内歯歯車が、それぞれ別対の可撓性外歯歯車
に噛み合うように、かつ第一アームと第二アーム
間をクローズドループの状態で固定することで、
調和駆動型減速機固有のバツクラツシユおよび低
剛性部の除去を、スプリングなどを付加すること
なく、簡単な構成で確実に実現できる。

また、偏角を与えるために出力側に噛合い接触
圧を付加したことにより、出力側から見た関節機
構自体の剛性を約２倍に高めることができる。

モータＭの両側に調和駆動型減速機Ａ，Ｂを対
称に配置することにより、モータＭから見た特性
が、正転・逆転において均一となる。その結果、
左右両方向の加減速に対する応答レスポンスが対
称であり、両者の限界速度を揃えることができ、
制御が極めて容易になるとともに、関節機構の正
常動作の限界速度を高くすることができる。

図示のように、駆動軸４′の両端を第一のアー
ムに支持し、この支持部の間に、駆動モータＭお
よび二組の調和駆動型減速機Ａ，Ｂを内蔵するこ
とで、前記のような本考案特有の効果を奏する機
構を、極めて小形にかつ簡素な構造で実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の調和駆動型減速機単体の回転角
−トルク特性図、第２図はバツクラツシユを除去
した回転角−トルク特性図、第３図〜第６図は本
考案の実施例を示し、第３図は多関節アーム型ロ
ボツトの側面図、第４図は第３図の−′拡大
断面図、第５図は調和駆動型減速機Ａの左側面
図、第６図は内歯歯車の偏角を示す図、第７図は
二組の内歯歯車と外歯歯車の噛み合い状態を示す
部分側面図、第８図は本考案の関節機構の剛性向
上の作用を説明する回転角−トルク特性図、であ
る。 図において、２１は第一アーム、２２は第二ア
ーム、４は回転軸、４′は駆動軸、Ａ，Ｂは調和
駆動型減速機、１０ａ，１０ｂは可撓性外歯歯
車、１１ａ，１１ｂは固定内歯歯車、１２ａ，１
２ｂは出力内歯歯車、Ｍはモータである。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 第一のアーム２１と第二のアーム２２との間の
   関節動作部において、 駆動軸４′の両端を第一のアーム２１に回転可
   能に支持し、 前記の両側の支持部の間において、モータＭの
   インナー側を該駆動軸４′に固定し、アウター側
   を第二のアーム２２に固定するとともに、内歯歯
   車と可撓性外歯歯車との歯数の差を利用した調和
   駆動型減速機Ａ，Ｂの２組を、それぞれ前記モー
   タＭを挟んだ両側のほぼ対称位置に配置して、調
   和駆動型減速機Ａ，Ｂの可撓性外歯歯車１０ａ，
   １０ｂを駆動軸４′に取り付けたこと、 調和駆動型減速機Ａ，Ｂは、それぞれ１つの可
   撓性外歯歯車に対して、固定内歯歯車と出力内歯
   歯車の２つの内歯歯車が噛み合つていること、 両調和駆動型減速機Ａ，Ｂの固定内歯歯車１１
   ａ，１１ｂはそれぞれ第一のアーム２１に取り付
   けられ、出力内歯歯車１２ａ，１２ｂはそれぞれ
   第二のアーム２２に取り付けられていること、 片方の調和駆動型減速機Ａの可撓性外歯歯車１
   ０ａと他方の調和駆動型減速機Ｂの可撓性外歯歯
   車１０ｂとでは、内歯歯車との接触面の方向が逆
   になるように、調和駆動型減速機Ａの出力内歯歯
   車１２ａ〔または固定内歯歯車１１ａ〕と調和駆
   動型減速機Ｂの出力内歯歯車１２ｂ〔または固定
   内歯歯車１１ｂ〕を回転方向にずらして偏角を与
   えた状態で固定されていること、 を特徴とする関節機構。